100G Gigabit Ethernet究極ガイド

現在、ネットワーキングの世界は、増大するネットワーク需要に対応するため、データ駆動型のアプローチへと進化しています。次世代Ethernetのバックボーンとして、100 Gigabit Ethernet（100 GbE）は現在最も広く利用可能であり、このネットワークの発展により、ネットワークプロバイダーの容量拡大、高帯域幅を必要とするネットワークの導入、メトロネットワークにおけるTDMからパケット伝送への移行が継続的に促進されています。この記事では、100 GbEとは何か、その進化の道筋、もたらすメリット、利用されている業界について説明します。

100G ギガビットイーサネットとは何ですか？

100GbEとは 100ギガビットイーサネット, 高速ネットワーク規格であり、100ギガビット/秒（Gbps）のデータ転送速度を持つネットワークプロトコルです。また、Ethernetファミリーの中でも比較的一般的な技術の一つであり、世界中の大多数のローカルエリアネットワーク（LAN）およびワイドエリアネットワーク（WAN）の通信基盤を構築しています。前世代の10GbEおよび40GbEと比較して、速度と容量が大幅に向上しています。

高帯域幅ネットワークのニーズに対応するため、IEEEは100G Ethernet規格を策定するHSSG (Higher Speed Study Group)を2006年に設立しました。これは2007年に正式にIEEE802.3baグループへ移行し、40G/100G Ethernet規格を策定しました。そのうち40Gbpsは主にコンピューティング用途向けで、100Gbpsはコアおよびシンクサービス向けです。現在の100G Ethernetインターフェースの主要技術には、物理層(PHY)チャネルアグリゲーションおよび波長分割多重(WDM)技術があります。さらに、Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)やQuadrature Amplitude Modulation (QAM)などの高次符号化および変調技術も存在します。10G Ethernet技術と比較して、100G Ethernetは、インターフェース規格および帯域幅性能の均一性がより高く、減衰および分散においても優れた性能を提供します。

100GbEは、使用されるEthernetプロトコルと原理の点では前世代とほぼ同じですが、より高度な技術によって最大100Gbpsのデータ転送効率を実現しています。この効率性により、100GbEはデータセンター、ネットワークインフラストラクチャ、ハイパフォーマンスコンピューティングの基幹となり、現代のネットワークに不可欠な構成要素となっています。

100G Ethernetは、単一チャネルで維持される最速のEthernet速度です。IEEE 802.3ckは、2022年12月に単一の100G Gb/sチャネルを使用する第3世代の100G Ethernetとなりました。また、これらのチャネルをそれぞれ2本および4本使用する200Gおよび400G Ethernetにも対応し、最大2メートルの距離でツインアキシャルケーブルを使用して100GBASE-CRおよび100GBASE-CRを伝送することを規定しています。ツインアキシャルケーブルで最大伝送距離2メートルを規定する100GBASE-CR、および電気バックプレーンを使用する100GBASE-KRに加えて、 100GBASE-ZR この規格は、マルチチャネルアーキテクチャおよび単一波長DWDMシステムの使用により、最大80キロメートルを超える距離での100G Ethernetをサポートします。コスト効率を優先する場合は、25G NRZ SerDesを使用する4チャネル構成も信頼性の高い伝送媒体となります。

100G Ethernetの進化の概要

現在最も広く使用されているLAN技術であるEthernetは、1973年にカリフォルニア州のXerox Palo Alto Research Centerで誕生しました。当初は、コンピューターワークステーション、サーバー、プリンター間でデータを伝送するために開発されました。

それ以前のコンピューターネットワークは、大型で高価なメインフレームコンピューターが支配していたため、これは当時としては画期的な成果でした。

Ethernetの当初の接続速度は、わずか2.85メガビット/秒（Mbps）でした。1980年、Digital Equipment Corporation、Intel、Xeroxのベンダー連合が、10 MbpsのEthernet規格であるDIX Ethernet規格を発表しました。その結果、Ethernetの最高速度は1980年代まで10 Mbpsに制限されていました。

1995年には、さまざまなツイストペアおよび光ファイバーメディアシステムを含む100 Mbps Fast Ethernetシステムが導入されました。その4年後には、1,000 Mbps（1 GbE）Ethernetが導入されました。

1 GbEから10 GbEへの移行には約7年かかりましたが、10 GbEから40 GbEへの移行にはわずか4年しかかかりませんでした。

その後、データセンターが40 GbEを段階的に廃止するにつれて、100 GbEネットワーク機器のコストが下がり始め、100 GbEネットワークが広く普及するようになりました。

100ギガビットIEEE規格

IEEE 802.2ワーキンググループは、Ethernetデータ通信規格の維持と拡張を担当しています。特定の規定を見ると、通常、特定の規格への追加には1文字または2文字の名称が付けられていることがわかります。たとえば、802.3zタスクフォースはGigabit Ethernet規格の初期バージョンを定義しました。

100G Ethernetの必須IEEE規格を3つご紹介します：

前のセクションでは、10Gbit/sを超える速度をサポートするために2010年に策定されたタスクフォース規格であるIEEE 802.3baについて説明しました。このプロトコルでは、エンドポイントとリンクアグリゲーションをサポートする必要性に対応して、40および100G bit/sの速度が規定されています。この規格は、100Gの速度を規定した最初のIEEEプロトコルです。以下に、100Gに関連する比較的重要なプロトコルをいくつか示します。

IEEE 802.3cu規格は、Ethernetの物理層および管理パラメータに対する改訂であり、シングルモードファイバー上で100Gb/sおよび400Gb/sの高速データ伝送を可能にします。802.3cuは、高速データに対する需要の高まりに対応するため、2021年2月にIEEEによって承認された802.3基本規格の改訂版です。この規格は、100G光学技術を利用してコストを削減し、密度を向上させることで、100Gおよび400G Ethernet向けの費用対効果とエネルギー効率に優れたシングルモードファイバーインターフェースを実現することを目的としています。

主に100G、200G、および400Gの電気インターフェースを規定するIEEE 802.3ckは、2022年9月に採択のための投票が行われました。完成後、この規格は100Gbps電気インターフェースを実現し、100、200、または400G Ethernet向けの高密度または低コストの電気インターフェースの開発を支援することを目的としています。この仕様は誤り訂正仕様でもあり、一連の技術仕様を確立することで、ビット誤り率（BER）と伝送エラーを大幅に低減し、データ伝送の品質と効率の両方を向上させることができます。、たとえばFEC（Forward Error Correction）符号化技術、クロック同期などです。

IEEE 802.3ctは、主にDWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）システム上での100G動作を規定するもので、完成しており、公開前の最終レビュー中です。この規格が重要なのは、少なくとも80キロメートルの100G接続距離をサポートするコヒーレントDWDM技術向けの初のEthernet仕様であるためです。DWDMシステム上での400G動作に関するIEEE P802.3cwはまだ進行中で、コヒーレントDWDM技術向けのEthernet仕様を400Gへ拡張するものです。

100GbE Ethernetのメリット

100 GbEの導入は、ネットワーキングおよびデータ通信の分野に数多くの利点をもたらします。主な利点は次のとおりです。

大幅な速度向上： 企業ネットワーク、特にデータセンターやサーバールームにおいて、より高速なデータ転送速度を提供し、ファイルアクセス速度を向上させます。

複雑なネットワーク要件に対応： Internet トラフィックの増加や、データセンター内の仮想サーバーおよびデバイスからの複雑な要求に適応し、リアルタイムの更新と効率的な処理を実現します。

下位互換性: 既存のインフラストラクチャとの互換性をサポートしており、トランシーバーまたはモジュールを交換することで既存のケーブルを再利用できます。これにより導入が簡素化され、電力およびスペースの要件が軽減されるため、コスト削減につながります。

幅広い製品サポート: ネットワークインターフェースカード、サーバー、スイッチなど、100GbE対応製品がすでに幅広く提供されており、ノード数と接続数を削減し、性能を向上させ、総所有コストを低減できます。

ネットワーク負荷を軽減： 100GbEは、バックボーンネットワークにおける競合とコアネットワークの過負荷リスクの軽減に役立ちます。

新興技術をサポート: Remote Direct Memory Access (RDMA)やその他の新興技術を導入する組織にとって、将来の成長に向けた柔軟性を高めます。

100G ギガビットイーサネットの用途

優れた高速性能により、100GbEはさまざまな業界で広く使用されています。ここでは、重要な100Gギガビットイーサネットの用途をいくつか紹介します。

データセンター： データセンターはデータ世界のアーキテクチャを支える基盤であり、大量のデータをホストして処理します。100GbEは、サーバー、ストレージ、ネットワークデバイス間の連携をより効率的にし、データセンターネットワークに大きな変革をもたらします。データセンターを活用することで、データ処理が高速化し、パフォーマンスが向上し、ネットワークのボトルネックが減少します。

クラウドインフラストラクチャ： 近年の人工知能の急速な発展に伴い、クラウドコンピューティングサービスであるAWS、Azure、Google Cloudが目覚ましく発展し、演算能力の強化も急務となっています。100GbEの高速性能は、これらのサービスプロバイダーが顧客へより迅速に接続するのに役立ち、アプリケーションとデータベース間の高速なデータ転送にも大きく貢献します。

ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）： ビッグデータを共有し、科学研究やシミュレーションを行う大規模HPCクラスターにとって、大規模なデータセットをより効率的に処理するためには、超高速ネットワークも重要です。100GbEは、HPC環境におけるバックボーンアーキテクチャとしてもますます普及しています。

エンターテインメントとメディア: メディア・エンターテインメント業界における最も重要なネットワーク要件は、低遅延と高帯域幅です。100GbEは、ストリーミングメディア配信、コンテンツ制作、高解像度の動画・音声ファイル向けのプラットフォームを構築し、リアルタイムのデータ転送を可能にすることで、消費者により優れたオンライン動画体験を提供します。

ご覧のとおり、これらのアプリケーションシナリオの大半は100GbEの広帯域幅と低遅延性能に依存しており、こうした主流のデータセンターは、特に従来型のワークロードを扱いながら仮想化の度合いが高いデータセンターにおいて、その需要を満たすのに非常に適しています。

結論

要するに、100GbEの登場に伴い、データセンターは飛躍的に成長し、その結果、ネットワーク環境も変化しました。高帯域幅かつ低遅延の100Gギガビットイーサネットネットワークは、ハイパフォーマンスコンピューティングおよび通信インフラストラクチャに不可欠なバックボーンを構築してきました。ネットワークの進化に伴い、100GbEはデータ通信においてさらに大きな役割を担い、より高速で効率的なデータ転送を可能にし、最終的には企業と消費者の双方に恩恵をもたらすでしょう。